CR200J动力集中动车组动力车空压机高温保护问题研究

于 博，樊立新，石邹亮，丁继军，吴国栋，张 律

(1.中车大连机车车辆有限公司 机车开发部，辽宁 大连 116022； 2.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

CR200J型时速160 km动力集中动车组动力车(以下简称“动力车”)是为提升我国铁路普速列车的舒适性，根据中国铁路总公司科技研究开发计划课题《时速160 km动力集中动车组关键技术研究——动力车关键技术研究》的要求，由中车大连机车车辆有限公司研制的动力车型。该型动车组用于中国普速线路及客运专线旅客运输，是我国“复兴号”品牌战略的主力车型之一[1]。

风源系统是动车组空气管路系统的基础，负责提供动力车、拖车的气动器件以及制动控制系统所需的高质量、洁净、干燥和稳定的压缩空气，主要包括空气压缩机、空气干燥器、过滤器、总风缸、辅助压缩机、辅助干燥器及阀类等。动力车设置2台容积流量不小于1 600 L/min的螺杆式空气压缩机，默认设置为延时模式(连续工作)。自2020年2月24日起，多台动力车发生空压机高温保护故障，影响动车组正常运用。

1 故障描述

CR200J型动车组自运用以来，动力车空压机高温保护故障多发生在春夏交替季，尤其是杨柳絮飘飞期。普查空压机高温保护故障车牵引风机机械间通风口滤网，均发现有明显脏堵情况，故障统计情况见表1。据了解，个别路局动车组到段运用后从未进行过滤网清理，导致机械间出风口滤网脏堵情况较为明显，清理滤网后，普遍反映运用效果有所改善[2]。可见，滤网脏堵可能导致空压机高温保护故障。

表1 各路局动力车空压机异常高温保护故障车检查情况统计

图1为FXD3-J0029号动力车机械间出风口滤网脏堵状态。

图1 FXD3-J0029号动力车机械间出风口滤网脏堵

2 原因分析

CR200J型动车组动力车空压机异常高温保护故障原因可能是空压机周围环境温度过高、机械间供风量不足或通风散热通路不畅[3]。

2.1 周围环境温度过高

CR200J型时速160 km动力集中动车组动力车机械间配置2台空压机，其布局现状及热空气流动模拟如图2所示。

图2 空压机布局现状及热空气流动模拟

其中，空压机1靠近机械间中间走廊及高压柜，无独立车外排风风道，冷却空气采用车内进气、车内排气方式流通；对面为牵引风机机械间出风口，周边相对开阔，空气流动性较好，且没有冬夏季转换模式，冷却空气变热后全部排入机械间内，这些热空气向两边扩散，其中部分热空气流向空压机2；空压机2靠近机械间侧墙及变流柜，具有独立排风风道，冷却空气采用车内进气方式流通，周边相对封闭，空气流动性较差，且具有冬夏季转换模式，冷却空气变热后可设置外排风或内排风两种方式。

由上述分析可知，空压机1冷却空气变热后排入机械间内会造成局部温度升高。动力车牵引通风系统旁通的一部分空气为机械间内提供用风，这部分空气不仅作为空压机的压缩空气，还用于冷却机油、降低机械间温度，尤其是牵引风机2的机械间旁通口直接吹向空压机1，有效地降低了空压机1机油冷却用空气温度，空压机1得到较好的冷却，从未出现高温报警。而空压机2由于安装位置的原因，无法得到机械间冷却空气的有效对流，且空压机1中冷却机油后变热的部分空气吹向空压机2，导致空压机2周边的环境温度明显高于空压机1周边的环境温度，空压机2进气温度较高，直接导致空压机2出现高温报警故障[4]。

2.2 机械间散热供风量不足

2.2.1 动力车风源系统机械间耗风量、供风量理论计算

(1) 机械间耗风量计算：2台空压机同时工作，压缩空气均采用车内进气方式，机油冷却用压缩空气一台采用车内进气、车外排气，另一台采用车内进气、车内排气。单台空压机标称压缩空气量为1.65(1±6%)m3/min；单台空压机散热所需冷却空气量，SL16型空压机(克诺尔)为24 m3/min，TSA1.6型空压机(嘉祥)为22 m3/min。则空压机耗风量最大值：1.82×2+24=27.64 m3/min=0.461 m3/s。

(2) 机械间供风量计算：机械间设2个出风口，在理想状态下，每个出风口面积为0.26×0.11=0.028 6 m2。风机频率为25 Hz时，出风口平均风速为8.8 m/s，供风量为8.8×0.028 6×2=0.503 m3/s；风机频率为33 Hz时，出风口平均风速为12.7 m/s，供风量为12.7×0.028 6×2=0.726 m3/s； 风机频率为50 Hz时，出风口平均风速为22 m/s，供风量为22×0.028 6×2=1.258 m3/s。

由此可见，风机频率为25 Hz时，在机械间出风口没有脏堵的情况下，理论上可满足机械间用风需求；但当出风口有效面积减小10%时，机械间供风量将不能满足散热量需求。

2.2.2 机械间供风散热试验

现场测试数据表明，相同工作频率下，空压机2进气口温度与空压机1最高温差在5～8 ℃，空压机2的机油平衡温度较空压机1普遍高约5 ℃。这是由于空压机1临近走廊，对面是牵引风机的机械间旁通出风口，而空压机2临近侧墙，又处于变流柜、侧墙和网侧柜之间的半封闭空间内，与牵引风机的旁通出风口之间还有复轨器等部件遮挡，导致空压机2附近的空气流动性较差，通过空气对流进行热交换比较困难。

对上述原因初步分析后，挑选了配属成都局的动力车进行了相关实车试验，主要测试不同工况下的空压机油温，试验工况和现场情况如表2、图3所示，测试结果如图4所示。

表2 试验工况

图3 试验现场

图4中深蓝色曲线为空压机2机油温度曲线，绿色为空压机1机油温度曲线。由油温曲线可以看出，在牵引风机频率为25 Hz时，空压机2的油温一直高于空压机1的油温；当牵引风机频率调至50 Hz时，温差迅速缩小，且空压机2油温下降明显；将牵引风机频率调至25 Hz、出风口不堵时，空压机2油温上升，2台空压机油温均变大；调至50 Hz、出风口脏堵情况下，机械间通风量上升，油温再次下降；调至50 Hz、出风口不堵时，油温迅速下降。可以看出，在此过程中机械间通风量对空压机散热影响较大。

图4 各工况下测试的油温曲线

综上可知，牵引风机频率在25 Hz时，若在杨柳絮季节和高风沙地区旁通滤网清理不及时，进入机械间的风量低，则不能满足空压机散热所需风量，使空压机周边空气温度升高，加剧了空压机出现异常高温保护的情况。

2.3 通风散热通路不畅

经现场试验发现，在空压机的线路、气温等外界因素均未改变的情况下，对空压机滤芯进行清理后，空压机未再出现异常高温保护现象，因此可推断出风口滤网脏堵影响了空压机的散热。

在机械间进风口滤网堵塞情况下，通风系统对机械间的供风不足，不能有效提供冷却用风量需求，使得空压机周边的环境温度不能有效降低。当机械间进风量减少，空压机周边空气流动性变差，加上空压机2离通风机出风口较远，导致空压机工作时其周边温度持续升高。

3 优化整改措施

(1) 优化空压机安装布局，减小机械间外部环境温度影响[5]。

后续研发的CR200J型动车组(鼓形车体)将空压机1改为车外排气，以降低机械间温度；调整空压机2的安装位置，调换驱动电机与压缩机位置，使空压机2的横向安装尺寸与空压机1相同。

空压机安装方向调整后，空压机2的压缩机、吸气口更接近于中央走廊，处于较为开阔的区域，使压缩机部分远离了高温区域。而且调整后2个压缩机位置更靠近牵引风机机械间出风口，空气流动性较好。空压机1的安装位置与原方案相似，冷却风道如图5所示。由于降低了空压机2的安装高度，空压机与侧墙之间可以设置更多的部件安装与检修空间。

图5 空压机安装优化方案

(2) 调整牵引风机工作频率，增加空压机供风量。

机械间进风量与牵引风机工作频率有着直接关系，原直车体动力车风机频率值设定为25 Hz、33 Hz和50 Hz，现鼓形车体动力车风机频率值设定为25 Hz、33 Hz、40 Hz和50Hz，风机频率完全根据牵引电机温度、变流器水温和变压器油温综合控制。为了有效降低牵引电机温度、变流器水温和变压器油温，优化了牵引风机频率，使牵引风机运行在33 Hz、40 Hz、50 Hz。

(3) 优化机械间进出风口滤网的维护方案，升级风口过滤器，保证通风口维护方便。优化后的风口过滤器(图6)快装、便携、易清理，同时也可保证过滤精度。

图6 风口滤网优化方案

4 结论

本文从空压机布局、牵引风机工作频率和风口滤网维护3个方面制定的优化整改方案，全面解决了空压机异常高温保护的问题，有效提高了空压机在各种工作环境下的可用性。